食品凍干機(jī)|百科

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)升級的加快，干燥技術(shù)也有了較大的發(fā)展進(jìn)步，并逐漸在產(chǎn)品質(zhì)量和成品形成的速率等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來食品的干燥方式是向能耗污染較低、資源循環(huán)利用的方向發(fā)展。

目前保質(zhì)干燥技術(shù)如熱泵干燥、冷凍干燥等，有的干燥效率低，投資成本較高，有的能耗較高，工業(yè)化應(yīng)用不夠普及。而熱風(fēng)干燥具有操作流程簡便、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，且過熱蒸汽干燥作為一個(gè)節(jié)能環(huán)保可回收的干燥方式，在食品領(lǐng)域中已經(jīng)有越來越多的應(yīng)用，獲得了市場的認(rèn)可。

目前過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域的研究較少、聯(lián)合干燥的發(fā)展是大勢所趨。

01、過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥機(jī)理

一、過熱蒸汽干燥機(jī)理

過熱蒸汽干燥是指把過熱蒸汽作為傳熱介質(zhì)，利用其攜帶的大量潛在熱量而去除水分的一種干燥技術(shù)[2］。其中過熱蒸汽(SHS) 指的是 100 ～ 400 ℃的高溫蒸汽，這是一種在沸點(diǎn)時(shí)從產(chǎn)品內(nèi)部蒸發(fā)水分而沒有擴(kuò)散阻力的干燥方法[3］。

過熱蒸汽干燥是指讓物料在過熱蒸汽中進(jìn)行干燥，使得物料內(nèi)部的水分比較容易被蒸發(fā)。過熱蒸汽主要指在一定的壓力下，過熱蒸汽的溫度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同一壓力下的飽和蒸汽溫度，吸收一定量的蒸餾水后轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽。所以過熱蒸汽可被當(dāng)作是一種能夠吸水的氣體，也可被當(dāng)作干燥介質(zhì)來對濕的物料進(jìn)行熱、質(zhì)傳遞[4］。

當(dāng)用過熱蒸汽干燥時(shí)，同一加熱壓力下的物料溫度與沸點(diǎn)的溫度相同，氣流和表面的溫差就是運(yùn)輸熱量的主要驅(qū)動(dòng)力，熱氣流中僅僅包含了水蒸氣和空氣，因此水分的運(yùn)動(dòng)主要取決于壓差產(chǎn)生的體 積 流，而不是依賴于蒸汽分壓差來產(chǎn)生的遷移[5］。    

過熱蒸汽干燥系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示。

圖 1 過熱蒸汽干燥系統(tǒng)示意圖

過熱蒸汽經(jīng)過熱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生后，于干燥室中干燥物料，其壓縮加熱后，可產(chǎn)生循環(huán)蒸汽進(jìn)行循環(huán)利用。230 ～ 250 ℃ 的尾氣經(jīng)回收系統(tǒng)可回收利用，其熱能可直接用于加熱等過程。過熱蒸汽經(jīng)冷凝后產(chǎn)生冷凝液，可從其中提取有價(jià)物質(zhì)。

過熱蒸汽干燥的傳質(zhì)與傳熱過程：

過熱蒸汽干燥的傳質(zhì)、傳熱過程如圖 2 及圖 3所示[6］。

                 圖 2 過熱蒸汽干燥傳質(zhì)圖 

           圖 3 過熱蒸汽干燥傳熱圖

如圖 2 所示，P0 為主流區(qū)的壓力，P1 為層流內(nèi)層氣化水分的蒸汽壓，P2 為緩沖層中的蒸汽壓力，P3為析出水蒸氣的壓力。過熱蒸汽經(jīng)過層流內(nèi)層向空氣中擴(kuò)散時(shí)，阻力是最大的，再經(jīng)過緩沖過渡層，最終達(dá)到空氣的湍流主體，阻力逐漸減小。所以 P1 和 P0間的壓差最大，P3 和 P0 之間的壓差最小，P2 處于 P1與 P3 之間。

如圖 3 所示，過熱蒸汽處理物料時(shí)，熱量Q 從外向內(nèi)傳遞，與物料表面的水分子形成飽和氣膜，氣化水分和內(nèi)部水分子向外擴(kuò)散。

干燥中的傳質(zhì)是由于溫度梯度引起的熱能擴(kuò)散。在干燥過程中，能量傳遞貫穿于物料的換熱過程，隨著質(zhì)量的傳遞，物料中的焓值也會(huì)被帶走，所以傳熱傳質(zhì)并不是相對獨(dú)立的。

質(zhì)量的傳輸和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)移有關(guān)，比如物質(zhì)分子、原子等。過熱蒸汽主要用于破壞結(jié)合水，克服水和蒸汽流動(dòng)的摩擦阻力，通過對流將熱量傳遞給物料，提高物料內(nèi)外水分子的動(dòng)能[7］。

過熱蒸汽由于能吸水，水分在干燥時(shí)由物料內(nèi)部向外部轉(zhuǎn)移，水分剛擴(kuò)散出來就會(huì)被過熱蒸汽及時(shí)地吸收，傳質(zhì)是幾乎沒有阻力的。 

二、熱風(fēng)干燥機(jī)理

熱風(fēng)干燥( HD) 是以熱風(fēng)為傳熱的介質(zhì)，進(jìn)行水的傳質(zhì)和物料間的傳熱，使物料內(nèi)部的水分慢慢蒸發(fā)出來的過程[8］。此干燥方法是通過熱風(fēng)與食品接觸后，將熱量傳遞到食品表面，再由食品表面緩慢向內(nèi)部擴(kuò)散的一種干燥方法[9］。

熱風(fēng)干燥是利用介質(zhì)傳熱將能源轉(zhuǎn)化為熱媒，其形成的熱空氣與物料接觸將熱量傳給物料。物料內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移到外部，當(dāng)物料達(dá)到一定的含水量時(shí)，水分遷移的過程就會(huì)趨于停止。

同時(shí)，受熱物料表面溫度高于物料中心，形成溫度梯度，阻礙水分從中心往表面轉(zhuǎn)移[10］，從而導(dǎo)致熱風(fēng)的干燥速率較慢，物料的表皮易硬化。

熱風(fēng)到達(dá)干燥室后，通過溫度控制系統(tǒng)將物料中的水分蒸發(fā)使其變成干制品。熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的原理如圖 4 所示。

                            圖 4 熱風(fēng)干燥系統(tǒng)原理圖

熱風(fēng)干燥的傳質(zhì)與傳熱過程：

在物料進(jìn)行熱風(fēng)干燥的過程中，傳質(zhì)過程由內(nèi)向外，水分從物料的內(nèi)部蒸發(fā)出來，熱量跟隨熱風(fēng)從外向內(nèi)傳遞。熱風(fēng)干燥傳熱傳質(zhì)過程如圖 5 所示。

                     圖 5 熱風(fēng)干燥傳熱傳質(zhì)示意圖

研究傳熱一方面是在干燥過程中提高傳熱效率，為減小設(shè)備尺寸、節(jié)省費(fèi)用提供新的思路；一方面是為了提高保溫效果、減少能量損失。熱風(fēng)干燥在傳熱傳質(zhì)的過程中，熱量從外部向內(nèi)部傳遞，水分從內(nèi)部向外部蒸發(fā)。當(dāng)水分還未全部轉(zhuǎn)移出來，物料的外殼就已經(jīng)風(fēng)干硬化，阻礙了內(nèi)部水分的擴(kuò)散。

02、干燥技術(shù)的應(yīng)用

一、單一干燥工藝技術(shù)的應(yīng)用

（一）過熱蒸汽干燥的應(yīng)用

過熱蒸汽干燥技術(shù)已被應(yīng)用于木材、紙張、污泥干燥等方面，并取得了一定的研究成果。隨著干燥技術(shù)的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，過熱蒸汽干燥作為一種節(jié)能環(huán)保安全的干燥技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用也愈加廣泛( 表 1) 。

在過熱蒸汽干燥過程中，物料中的水分由內(nèi)向外擴(kuò)散至表面時(shí)，及時(shí)被過熱蒸汽吸收，傳質(zhì)幾乎沒有阻力。其適合需要滅菌和鈍化其酶活性的物料，如谷物類食品、果蔬肉制品等的干燥，但由于其干燥溫度較高，不適合熱敏性物料。    

表 1 過熱蒸汽干燥在不同食品種類中的應(yīng)用

過熱蒸汽技術(shù)在食品干制品品質(zhì)、干燥特性等方面均有較大優(yōu)勢，使用過熱蒸汽干燥食品，特別是低壓過熱蒸汽在保證成品質(zhì)量的同時(shí)，可降低酶的活性和氧化損失，與其他的干燥工藝相比更具優(yōu)勢[16］。

（二）熱風(fēng)干燥的應(yīng)用

在食品加工領(lǐng)域，90% 的果蔬干制品都是由熱風(fēng)干燥獲得。除了傳統(tǒng)的糧油作物、果蔬類等食品的干燥，熱風(fēng)干燥在其他食品中的應(yīng)用范圍也越來越廣( 表2) ，如食用牡丹、猴頭菇、八角等。但由于受熱不均勻等不足可能引發(fā)物料褐變、葉綠素降解等質(zhì)量問題，再加上能耗較大，干燥速率低等不足之處，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥已不能滿足現(xiàn)代高質(zhì)量食品的發(fā)展需求。

   表 2 熱風(fēng)干燥在不同食品種類中的應(yīng)用

盡管熱風(fēng)干燥在食品的營養(yǎng)、外觀、干燥速率等方面存在著應(yīng)用缺陷，但作為傳統(tǒng)且應(yīng)用范圍較廣的一項(xiàng)干燥技術(shù)，其存在和發(fā)展也有一定的積極意義。如設(shè)備投資少、適用性強(qiáng)、操作、控制簡單，在一定程度上能解放勞動(dòng)力，避免農(nóng)作物的收獲率受到天氣的影響等。

二、過熱蒸汽和熱風(fēng)在聯(lián)合干燥中的應(yīng)用

單一的干燥方式不能滿足未來食品干燥的發(fā)展需求，如未來食品的形態(tài)、個(gè)性化以及綠色高效優(yōu)質(zhì)等要求，而聯(lián)合干燥方式更適合未來食品干燥技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。用單一的熱風(fēng)干燥方式干燥復(fù)雜物料，很難達(dá)到質(zhì)量要求。

若把熱風(fēng)干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，在不同干燥階段采用不同的干燥方式，不僅能達(dá)到節(jié)能高效的目的，而且有助于控制整個(gè)干燥進(jìn)程，獲得高品質(zhì)的成品。

（一）過熱蒸汽在聯(lián)合干燥中的應(yīng)用

過熱蒸汽干燥在肉類、果蔬類等不同物料中的應(yīng)用，表明過熱蒸汽干燥在食品干燥領(lǐng)域中具備良好的發(fā)展?jié)摿?，特別是過熱蒸汽干燥在逆轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度以上比熱風(fēng)干燥速率快，干燥品質(zhì)高。

過熱蒸汽干燥進(jìn)行劇烈，并且蒸汽溫度較高，故干燥后期會(huì)對物料品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，因此可進(jìn)行過熱蒸汽干燥與其他低溫干燥方式相結(jié)合的聯(lián)合干燥技術(shù)的研究[22］。目前已經(jīng)有很多干燥技術(shù)與過熱蒸汽進(jìn)行聯(lián)合，形成了諸多新的聯(lián)合干燥技術(shù)( 表 3) 。    

表 3 過熱蒸汽在聯(lián)合干燥中的應(yīng)用

過熱蒸汽以自身優(yōu)勢與其他干燥方式進(jìn)行聯(lián)合，形成了一項(xiàng)新的干燥技術(shù)，在一定程度上中和了雙方技術(shù)的優(yōu)勢及不足之處，如過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥兼具了過熱蒸汽干燥速率高和真空干燥品質(zhì)高的特點(diǎn)，改善了成品的品質(zhì)，提高了干制效率，是干燥技術(shù)的又一次革新，為未來聯(lián)合干燥技術(shù)的廣泛使用提供了更多的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（二）熱風(fēng)在聯(lián)合干燥中的應(yīng)用

熱風(fēng)干燥目前的應(yīng)用不局限于果蔬，而是在食品其他領(lǐng)域有著較多的應(yīng)用，正逐步發(fā)揮著它更大的作用。若想使熱風(fēng)干燥在發(fā)展的過程中不被淘汰，就意味著技術(shù)的成熟與進(jìn)步，如今已經(jīng)有越來越多的技術(shù)和熱風(fēng)干燥進(jìn)行聯(lián)合，從而形成新的干燥技術(shù)( 表 4) 。    

表 4 熱風(fēng)在聯(lián)合干燥中的應(yīng)用

由于單一干燥方式難以滿足食品的高品質(zhì)要求，可根據(jù)物料的不同特性，不同狀態(tài)的水分遷移難易狀況等，將物料脫水分階段進(jìn)行聯(lián)合干燥處理。

熱風(fēng)干燥通過與其他的干燥方式進(jìn)行結(jié)合，在干燥成品的干燥速率、品質(zhì)能耗等方面都得到了改善，如射頻干燥能彌補(bǔ)熱風(fēng)干燥不均勻的不足，真空冷凍-熱風(fēng)聯(lián)合干燥兼具了熱風(fēng)干燥低成本和冷凍干燥品質(zhì)高的特點(diǎn)。

聯(lián)合干燥即將多種單元化操作按照優(yōu)勢互補(bǔ)的原則結(jié)合在一起，雖然增加了工序，但在一定程度上克服了單一干燥所引起的問題，為熱風(fēng)干燥在未來食品中的應(yīng)用發(fā)展提供了思路，其將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。

三、過熱蒸汽與熱風(fēng)的對比以及聯(lián)合干燥

過熱蒸汽干燥技術(shù)具有一些熱風(fēng)干燥所不具備的優(yōu)點(diǎn): 干燥速率快、凈能耗低、排放物少，特別適合高水分物料干燥，但并未真正推廣為工農(nóng)業(yè)所用。在傳統(tǒng)的干燥技術(shù)中，以熱風(fēng)干燥為代表，具有操作步驟簡便、生產(chǎn)成本低、使用范圍廣等特點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品干燥生產(chǎn)實(shí)踐作為最主要的干燥方式之一[34］。

（一）過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥的對比干燥

由于過熱蒸汽在干燥過程和熱風(fēng)干燥相似，這 2種干燥方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過對其應(yīng)用的對比( 表5) ，分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，可將其優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短。

熱風(fēng)干燥的傳質(zhì)是通過水分的擴(kuò)散作用將水分從濕物料的表面?zhèn)鞯綗犸L(fēng)中，而過熱蒸汽干燥則是通過濕物料表面和過熱蒸汽之間的蒸汽分壓差產(chǎn)生的體積流達(dá)到傳質(zhì)目的，此傳質(zhì)過程幾乎無阻力，所以后者的傳質(zhì)速度更快，干燥時(shí)間更短。在縮短干燥時(shí)間、節(jié)省能源使用、保證操作安全的同時(shí)，食品的干燥品質(zhì)也達(dá)到較好的狀態(tài)。

表 5 過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥應(yīng)用對比

針對過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥在農(nóng)產(chǎn)品、肉制品、奶制品等不同種類食品的應(yīng)用，將其品質(zhì)速率、干燥成本等進(jìn)行對比。

品質(zhì)速率: 經(jīng)過熱蒸汽處理過的食品，外觀品質(zhì)較好，收縮率較低，結(jié)構(gòu)更完整。由于過熱蒸汽的溫度較高，物料中大部分的微生物因不耐高溫而被滅活或被抑制了活性。過熱蒸汽處理過的雜糧，其霉菌毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞、數(shù)量減少[42］。

學(xué)者通過對酒精糟研究發(fā)現(xiàn): 由于過熱蒸汽干燥過程無傳質(zhì)阻力，可大幅提高干燥效率，對于對流傳熱系數(shù)，熱風(fēng)干燥比過熱蒸汽干燥低[43］。

上述結(jié)果表明，過熱蒸汽干燥產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)越，可彌補(bǔ)熱風(fēng)干燥品質(zhì)不一的不足。過熱蒸汽干燥一定程度上節(jié)約了能源，較大程度提高了干燥機(jī)的熱效率。

干燥成本: 

設(shè)備生產(chǎn)投資大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。鑒于過熱蒸汽對設(shè)備的腐蝕，生產(chǎn)中對設(shè)備的材料要求較高[44］。干燥設(shè)備為閉路循環(huán)系統(tǒng)，要求在喂料和卸料時(shí)密封性能要好[4］。有學(xué)者依據(jù)使用過熱蒸汽干燥 1 kg 水的熱量凈消耗量，分析了立式振動(dòng)輸送干燥機(jī)的能量消耗，其熱能和電能的消耗分別降低了大約 74% 和 20%[5］。又有學(xué)者用過熱蒸汽蒸發(fā) 1 kg水消耗了 815.4 kJ 的能量，其能量比熱風(fēng)干燥低[45］。

上述結(jié)果表明，過熱蒸汽干燥機(jī)器成本較高而干燥過程消耗成本較低，熱風(fēng)干燥可在一定程度上降低生產(chǎn)成本。

通過過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥的應(yīng)用對比可得，2 種干燥方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。在一定的物料范圍內(nèi)，過熱蒸汽干燥成品在營養(yǎng)品質(zhì)、干燥速率等方面都優(yōu)于熱風(fēng)干燥。

過熱蒸汽干燥技術(shù)在食品干燥領(lǐng)域的工業(yè)化生產(chǎn)中還有較大的發(fā)展空間，由于其溫度過高，在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還有一定的限制，工廠化生產(chǎn)有待發(fā)展。

熱風(fēng)干燥的范圍較廣，是目前的主流工業(yè)化生產(chǎn)的方式，但需要革新。兩者對比，如何進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同共進(jìn)才是干燥技術(shù)發(fā)展需要考慮的問題。    

（二）過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥的聯(lián)合干燥

研究表明，聯(lián)合干燥可以縮短干燥時(shí)間，提高能量效率和物料品質(zhì)。

聯(lián)合干燥方式可將各種干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，根據(jù)物料的特性而形成多樣化的節(jié)能環(huán)保快速的新型干燥技術(shù)，使干燥速率更快、干燥成品的品質(zhì)更高，更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)化的生產(chǎn)需求。

過熱蒸汽和熱風(fēng)聯(lián)合干燥既推動(dòng)了傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的改進(jìn)創(chuàng)新，又?jǐn)U大了過熱蒸汽的應(yīng)用范圍( 表 6) 。

過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥可通過優(yōu)勢互補(bǔ)進(jìn)行聯(lián)用，結(jié)合過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥的原理，通過過熱蒸汽-熱風(fēng)干燥一體化裝備可實(shí)現(xiàn)將過熱蒸汽干燥過程中產(chǎn)生的尾氣回收，通過進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)形成熱風(fēng)，直接用于熱風(fēng)干燥中。

此過程可將過熱蒸汽干燥中產(chǎn)生的廢棄熱量回收利用，避免了熱風(fēng)產(chǎn)生過程的熱量消耗。此時(shí)的熱風(fēng)干燥可變?yōu)闊o氧熱風(fēng)干燥，在提高操作安全性和干燥速率的同時(shí)，也避免物料在干燥過程中與氧氣接觸發(fā)生氧化褐變。

表 6 過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)合干燥的應(yīng)用

03、總結(jié)與展望

針對不同干燥特性的物料可進(jìn)行不同的組合方式，如何以最優(yōu)的組合條件進(jìn)行聯(lián)合干燥還需要進(jìn)一步的優(yōu)化研究?？蓪⒉煌母稍锛夹g(shù)進(jìn)行對比，得出其優(yōu)勢互補(bǔ)之處進(jìn)行聯(lián)合使用，既加快了干燥效率，又提升了干燥品質(zhì)，在一定程度上節(jié)省了能源，降低了加工成本，更適應(yīng)了未來食品的發(fā)展需求。

過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥可在一定程度上取長補(bǔ)短，并落地應(yīng)用，表明了過熱蒸汽和熱風(fēng)干燥具有很大的發(fā)展?jié)摿?，可廣泛應(yīng)用于食品干燥領(lǐng)域乃至其他領(lǐng)域。未來研究方向:

( 1) 構(gòu)建干燥模型模擬干燥行為。通過建立干燥模型來模擬過熱蒸汽-熱風(fēng)干燥聯(lián)合干燥的干燥行為，從而驗(yàn)證此干燥技術(shù)和一體化裝備的可行性。

( 2) 明確不同物料的物性及工藝特點(diǎn)?？筛鶕?jù)所需干燥物料的干燥特性、加工需求、工業(yè)化發(fā)展等方面特性獲得物料干燥的最佳聯(lián)合干燥方式。

( 3) 推進(jìn)工廠化生產(chǎn)落地應(yīng)用。研究過熱蒸汽熱風(fēng)干燥一體化裝備，將過熱蒸汽和熱風(fēng) 2 種干燥技術(shù)裝備進(jìn)行集成，共用一個(gè)干燥倉體，過熱蒸汽處理后，切斷蒸汽通道，接通熱風(fēng)管道實(shí)施熱風(fēng)干燥處理。同時(shí)，可設(shè)置過熱蒸汽回收裝置用來強(qiáng)化熱風(fēng)干燥過程。